阪大産研L バンドライナックの改造と性能評価
加藤龍好 1、磯山
誉田悟朗、柏木 茂、山本 保、末峰 昌二、吉田義英、古澤 孝弘、関 修平、田川 精一
大阪大学産業科学研究所〒567-0047 大阪府茨木市美穂ヶ丘8‑1

陽一、れらを駆動・制御する電源、RF源、モーター類を計算機接続が可能で、より安定度の高いもの、再現性の高いものに置き換えた。
大 阪 大 学 産 業 科 学 研 究 所 のLバンドライナック
また、制御機器への配線距離と配線数を減らしは、昨年度、ビームの高安定化と再現性精度の高て、今後のメンテナンスを容易にするために、度化を目的とした改造を行った。この改造ではク
ライストロン及びクライストロン用モジュレータ、 ロ ー カ ル に PLCを配置して、機器をそれに接続し、サブハーモニックバンチャー用RF源、冷却水装置、 PLC間 は ネ ッ ト ワ ー ク で 通 信 さ せ る こ と に し た 。
電 磁 石 電 源 等 も 、 省 配 線 化 の た め に RS-485などの電磁石電源などの機器を更新し、それらを統括すシリアルI/Oを持った機器への更新を進めた。
る計算機制御システムを導入した。

概要

１．はじめに３．ライナック入射系

大阪大学産業科学研究所（以下、阪大産研）のLバンド電子ライナックは、1978年に運転を開始し、 3.1 電子銃部高強度の単バンチ電子ビームを加速できるライ電 子 銃 は こ れ ま で 安 定 化 電 源 （ BEHLMAN,ナックとして稼動してきた。最近では磁気パルス
BL1350 ） で 一 定 の 電 圧 を 供 給 し 、 こ れ を ス ラ イ
圧縮によるフェムト秒電子ビームの発生とそれをダックで調整して高圧タンク内の昇圧トランスに用いたフェムト秒パルスラジオリシスの実験、供給してきた。今回は、安定化電源をGP-IBで直接SASE-FELの原理検証実験、サブミリ波領域でのコ制御し、昇圧トランスへの供給電圧を調整するこヒーレント放射の光源利用など、電子ビームに対とにした。また、Filamentに供給する電圧も安定化
して高強度のみならず高品質や長時間にわたる安電源（高砂製作所、ARH500）から供給するように定性を要求する研究も行われるようになってきた。 変 更 し た 。 電 子 銃 回 路 の Filament、Bias、Gridの電このような研究内容の変化は、必然的に高精度
圧 調 整 は 、 こ れ ま で ACサーボモーターを使用し化・高安定化のための性能向上を求めることになていたが、これをパルスモーターに更新した。
る 。 昨 年 12月に、クライストロン及びクライスト
ロン用モジュレータ電源、サブハーモニックバン
3.2 サブハーモニックバンチャー
チ ャ ー 用 RF源 、 冷 却 水 装 置 な ど 、 加 速 器 の 安 定
サ ブ ハ ー モ ニ ッ ク バ ン チ ャ ー (SHPB)システムは化・高精度化を目指した機器更新が行なわれた加速周波数の1/12の周波数である108 MHzで動作す[1][2]。また、今年３月には電磁石電源など残りのるリエントラント型加速空洞２台と、1/6の周波数機器の更新と、それらを統括する制御システムので あ る 216 MHzの加速空洞１台より構成される。
構 築 を 行 っ た 。 本 研 究 会 で は 、 Lバンドライナッ
これらの加速空洞は、それぞれ独立した真空管式
クの改造の概要と、改造後の機器の性能評価につRFア ン プ (RCA7214&RCA7651)に よ り 励 振 さ れ る 。
いて報告する
今回の改造では励振部には変更を加えず、電源部と 制 御 部 を 更 新 し た 。 3台のSHPB空洞は、無酸素
２．改造の目的と方針
銅 を ス テ ン レ ス （ SUS316）に爆着したクラッド材
改造の目的は、電子ビームの高安定化と、加速で作られておりQ値が比較的高い。２台の108 MHz
器 運 転 の 高 精 度 化 と 自 動 化 で あ る 。 従 来 の Lバン
空 洞 Q値 は 4400であり、従来のRFパルス幅20 µsでドライナックは、遠隔操作盤のヘリポットなどをは、空洞電圧が一定の値に達しなかった。又、次用いて制御されており、加速器を運転するのに高節で述べる8 µsの時間幅を持つLong Pulseモードで度な熟練が必要であることに加えて、運転モードも問題が生じないように、SHPB電源のパルス幅をを制度良く再現することが困難であった。そこで最大100 µsまで延長できるようにした。
今回、計算機制御システムを導入し、可能な限り全ての制御対象を計算機に接続できるように機器更新をおこなった。
ライナックの基本要素である電子銃や加速管、偏向電磁石などのについては現状のままとし、そ1E-mail: kato@sanken.osaka-u.ac.jp

位相の安定性解析から、モジュレータに供給される商用電源電圧の変動がRF出力の変動の大きな要因になっていることが判っている。電源品質アナライザを用いた測定では、モジュレータへの入力
ラ イ ン （ ３ 相 AC200V）で、瞬間変動で４V程度、１日あたりでは６V程度の変動が見られた。
RF出力の安定性を実現するために、この入力ライ ン に IGBTを 使 用 し た パ ル ス 幅 変 調 交 流 チ ョ ッパ ー 方 式 の AVR（山菱電気、MTS-150S）を導入した 。 入 力 電 圧 の 変 動 ±15% 、 出 力 側 負 荷 変 動 0〜100%に対して、予想される出力安定度は±0.5 %以内、応答速度は30msである。
図１：30MWクライストロン用モジュレータ電源

４．ＲＦ系
4.1 クライストロン

4.4 ＲＦパワー伝送路
クライストロンシステムの構成変更に伴い、主加速管へのパワー伝送路から、バンチャー・プリバンチャー系のパワーを分配調整しなければならない。そのため、電力分配器と可変減衰器を導入した。既設の位相器は駆動モーターをパルスモーターに、位置読み出し用リニアスケールを更新し、新しい制御系に組み込んだ。またプリバンチャー系の同軸可変減衰器と位相器も更新した。

従 来 のRF源は、主加速管にRFパワーを供給する
トムソン製の20 MWクライストロンと、プリバン
チ ャ ー 、 バ ン チ ャ ー 系 用 の 東 芝 製 の 5 MWクライ
ス ト ロ ン の 2台 で 構 成 さ れ て い た 。 今 回 の 改 造 で５．ビーム輸送系
は、ターレス（旧トムソン）の30 MWクライスト
ロ ン （ TV-2022E） １ 台 を 使 い 、 こ の RFパワーを３5.1 電磁石電源系統に分割して各加速管に供給する。このクライ
電 磁 石 電 源 は 偏 向 電 磁 石 用 6台、Q電磁石用20台、ス ト ロ ン の 原 型 と な る TV-2022D の 最 大 定 格 は30MW、７µsであるが、今回は通常運転用の30MW、 ス テ ア リ ン グ コ イ ル 用 24台、ヘルムホルツコイル用 12台 の 計 62台ある。今回の改造ではヘルムホル
4µs の Normalモ ー ド と 、 FEL発 振 実 験 用 の25MW、ツ コ イ ル の 4台 を 除 く 全 て の 電 磁 石 電 源 を 更 新 し8µs の Long Pulseモードの、２モード仕様のクライた。合わせて、制御系の入出力点数と敷設ケーブストロンとして納入された。
ル数を減らすために、電磁石電源の制御インター4.2 クライストロン用モジュレータ電源
フ ェ ー ス を RS-485に 統 一 し た 。 RS-485ではひとつの シ リ ア ル ラ イ ン で 32台の機器を制御することが30 MWク ラ イ ス ト ロ ン 用 に モ ジ ュ レ ー タ 電 源で き る 。 我 々 は 更 新 さ れ た 58台 の 電 源 を 6台 の（ ニ チ コ ン 、 LB-300）も更新した。この写真を図1
ラ ッ ク に 収 納 し 、 一 つ の 電 源 ラ ッ ク 毎 に 1本のシに示す。出力パルス幅（フラットトップ）と最大リ ア ル ラ イ ンで制御モジュールと接続する構成と運 転 繰 返 し は Normalモ ー ド で 4 µs 、 60pps、 Longした。
Pulseモ ー ド で 8 µs 、30ppsである。PFNの総数は16段 で 、 自 己 修 復 型 コンデンサーを使用している。
６．冷却水装置・空調装置
Normalモ ー ド で は 前 半 の 10段のみを使用する。この段数切換えとインダクタンス調整は機器のタッ6.1 冷却水装置
チパネルと計算機による遠隔制御の両方から可能
で あ る 。 PFNを含む高圧回路部は電磁ノイズ低減
今回の改造で導入された冷却水装置（三栄技研、のための２重シールド筐体に収められている。
AQW-K80-SPOU） は1段目の装置で変動幅±0.1度以
モ ジ ュ レ ー タ の 高 圧 源 は IGBTを用いた高周波イ内の冷却水を作り、これを加速管系とクライストンバータ電源であり、設定電圧近傍で充電パルスロン系に供給する。加速管に供給される冷却水は幅を変えることでより安定度の高い充電を可能に
２ 段 目 の 装 置 で さ ら に ±0.03度以内に温度制御さしている。パルス毎の出力変動はフラットトップれる。温度制御の必要のない機器には、従来用い部 で 0.05 % 以 下 、 パ ル ス 内 の 電 圧 変 動 は 0.1 %られてきた冷却水装置から供給される。
（ peak− peak） 以 下を目標として現在調整を進めている。
6.2 クライストロン室空調装置4.3 AVR
これまで行ってきたクライストロンのRF出力とクライストロン室の空調装置は２年前に更新されているが、コンプレッサーのON/OFF動作により

ク ラ イ ス ト ロ ン 近 傍 で の 室 温 が 3度程度変動する。 ネ ッ ト ワ ー ク とPLCの仲立ちをするGateway Server
また、クライストロン室の天井の高さが５ｍ程度となる。PLC−PLC間およびGateway ServerとなるPCあるため、空気の循環が不十分であることが判っと PLC間 は 、 FA 用 に 標 準 化 さ れ たFL-netと呼ばれていた。今回、インバータ方式の空調ユニットをる 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク で 接 続 さ れ 、 こ の FL-net上の天井に追加し、これまでの空調装置を送風状態でデータ領域（コモンメモリ）を共有することで相併用することで、室温は短時間変動で0.3度程度、互 に 通 信 を 行 っ て い る 。 PLCは今回の制御システ
長 時 間 変 動 で も ほ ぼ 1度以下に抑えられることがム の 中 枢 と な る 重 要 な構成要素であるが、様々な確認できた。
点 か ら 検 討 し た 結 果 、 今 回 は 横 河 電 機 の FA-M3を採用した。制御系の詳細については別途報告する[4]。
７．タイミング系
新しいタイミングシステムは、高安定なルビジ謝辞
ウム原子時計（Stanford Research System, SR625）をタイムベースとして、信号発生器（Rohde&Shwarz,
今 回 の Lバ ン ド ラ イ ナ ッ ク の 改 造 で は 、 制 御 系
SMIQ04B） で 加 速 周 波 数 の 1.3GHzを直接作り出し、 を東芝、クライストロン用モジュレータをニチコ
こ れ を 分 周 し て SHPB 用 の 216MHz (1/6)、 108MHz
ン 、 SHB用 RF源とRFパワー伝送路を日本高周波、(1/12)、 レ ー ザ ー 用 の 81MHz（ 1/16）、そして電子電磁石電源を高砂製作所と東京電子が、全体のマビームとレーザーの同期のための27MHz (1/48)を作
ネージメントをコーガクが担当されました。阪大り出す。また、スタンダードなＮＩＭモジュール
産研側の厳しい要求を受け入れて努力していただやデジタルディレイを組み合わせて用いる事で、いた各社の担当の方々に御礼申し上げます。
高 精 度 な シ ス テ ム を 安 価 に 構 築 す る 。 今 回 の Lバ
またタイミングシステムの開発ではSPring-8の川ンドライナック改造の中でも開発要素が大きな部
島先生と安積先生に御指導、御協力を、モジュ分であるため、改造後の試験運転は従来のタイミレータ回路の安定化では日大の早川先生に御助言ン グ シ ステムを用いて行い、これと平行して開発をいただいております。この場を借りまして各先を進める。このタイミング系開発の詳細について生方に御礼申し上げます。
は本研究会で別途報告する[3]。

参考文献
８．制御系
新しい制御系は、パソコン（PC）とプログラマブ ル ロ ジ ッ ク コ ン ト ロ ー ラ ー （ PLC） を ネ ッ ト
ワ ー ク 接 続 し た 分 散 制 御 シ ス テ ム で あ る 。 PLCはプログラム内蔵方式でシーケンス制御を行う工業用電子装置であり、Factory Automation (FA)の分野では広く用いられている。制御室と加速器本体室にPLCを取り付けたDevice Control Station (DCS)盤を設 置 し て 、 こ こに制御対象機器を接続する。図2
は 加 速 器 本 体 室 に 設 置 さ れ た DCSの筐体である。
制御卓には、マンマシンインターフェースとして使 用 す る 複 数 台 の PCを置くが、この中の1台がPC

図2 電子銃高圧タンクの脇に置かれた加速器本体 室 の DCS筐 体 (左 )。RFパワー伝送路の制御盤(中 央 )、 サ ブ ハ ー モ ニ ッ ク バ ン チ ャ ー 用RF源(右)。

[1] G. Isoyama, R. Kato, Y. Honda, T. Yamamoto, Y.
Yoshida, T. Kozawa, S. Suemine, S. Seki and S. Tagawa,“Remodeling of the L-band Linac at ISIR, OsakaUniversity”, Proceedings of the 27th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Kyoto, Aug. 7-9, 2002, pp.115-117.
[2] R. Kato, G. Isoyama, Y. Yoshida, Y. Honda, T. Kozawa,T. Yamamoto, S. Suemine, S. Seki and S. Tagawa,“Modification of the L-band linac control system atISIR, Osaka University”, Proceedings of the 27th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Kyoto, Aug. 7-9, 2002,
pp.365-367.
[3] 柏木茂、磯山悟朗、加藤龍好、三原彰仁、山本保、末峰昌二、川島祥孝、安積隆夫、”阪大産研Lバンド電子
ライナックのタイミングシステム”, Proceedings of the28th Linear Accelerator Meeting in Japan, Tokai, Jul. 30-Aug. 1, 2003, TP-53.
[4] 加藤龍好、磯山悟朗、柏木茂、山本保、末峰昌二、吉田陽一、誉田義英、古澤孝弘、関修平、田川精一、”FL-net 上に構築されたPLCベースの加速器制御システム”, Proceedings of the 28th Linear Accelerator
Meeting in Japan, Tokai, Jul. 30 -Aug. 1, 2003, TP-54.